基坑工程與地下工程安全及環(huán)境影響控制

陳慧旺

摘 要： 隨著城市中基坑工程與地下工程的建設(shè)規(guī)模和建設(shè)難度的增大及環(huán)境條件的日益復(fù)雜化，對基坑工程與地下工程的安全以及其施工過程對環(huán)境的影響控制提出了更高的要求。本文對基坑工程及地下工程技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行研究，分析了現(xiàn)存問題，并在此基礎(chǔ)上對我國基坑工程與地下工程安全及環(huán)境影響控制策略進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。

關(guān)鍵詞： 基坑工程；地下工程；安全；環(huán)境影響控制

【中圖分類號】 TU753 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2236-1879（2018）11-0154-01

在城市用地現(xiàn)狀愈發(fā)緊張的現(xiàn)實(shí)背景下，地下空間的開發(fā)也就顯得至關(guān)重要，并被社會各界廣泛關(guān)注起來。地下空間可以說也是城市發(fā)展中不可或缺的資源類型，關(guān)于地下空間的開放也更加深入，推進(jìn)難度也隨之不斷增加。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，城市交通運(yùn)行壓力也不斷增加，這就使得地鐵的重要性愈發(fā)明顯。通過對可靠資源進(jìn)行研究不難發(fā)現(xiàn)，地鐵這一交通運(yùn)輸形式已經(jīng)被拓展應(yīng)用到各個(gè)大城市中，但是無論是在建工程，還是竣工工程，其安全性都是需要重點(diǎn)考量的基準(zhǔn)性指標(biāo)。

一、基坑與盾構(gòu)隧道工程的發(fā)展及現(xiàn)存問題

（一）基坑工程向著深大長方向發(fā)展。

在城市發(fā)展過程中，城市基坑開挖深度也逐漸增加，部分城市在發(fā)展的初級階段，都不會將基坑深度設(shè)置在難度過大的環(huán)境中，而隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷增加，高層及地鐵需求量不斷攀升，這就需要對基坑開挖深度進(jìn)行進(jìn)一步延伸，，在這一過程中，基坑規(guī)模也呈現(xiàn)出了大幅度增長的趨勢。

（二）深基坑工程變形控制成為制約性要求。

軟土地區(qū)的深基坑設(shè)計(jì)、施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，對變形控制要求嚴(yán)格。深基坑施工可引起基坑內(nèi)變形、鄰近處變形和區(qū)域性沉降。對于地鐵、機(jī)場、高鐵等對環(huán)境條件，環(huán)境變形的控制要求mm級，傳統(tǒng)變形被動控制理論與方法已不能滿足mm級控制要求，深大長基坑變形對環(huán)境安全影響的mm級微變形主動控制成為新的城市發(fā)展及環(huán)境下的重大需求。

（三）深基坑工程中的地下水控制成為突出問題。

由于基坑深度的大幅度增加，使承壓水控制成為超深基坑分析與設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，有時(shí)甚至是制約性的關(guān)鍵問題。國內(nèi)外已經(jīng)有不少因承壓水引發(fā)的坑底突涌或流土引發(fā)的工程事故，坑底突涌、流土一旦發(fā)生，很難加以控制，其后果很嚴(yán)重。此外，當(dāng)承壓含水層分布厚度加大，及時(shí)采用很深的地下連續(xù)墻或超深止水帷幕也難以截?cái)鄷r(shí)，承壓含水層抽水降壓對環(huán)境的影響及控制就成為一個(gè)重要課題。尤其是大城市新區(qū)的建設(shè)，在一個(gè)局部的區(qū)域內(nèi)可同時(shí)或先后有很多基坑施工，承壓水的大量抽降則可引起區(qū)域性的地下水位大幅度下降并引起地層大范圍沉降。

（四）基坑的局部破壞、連續(xù)破壞及整體穩(wěn)定問題。

早期基坑開挖深度不大時(shí)，基坑失穩(wěn)機(jī)理較為明確。當(dāng)深度增加至20～30m甚至更深后，軟土地區(qū)基坑支護(hù)體系往往由地下連續(xù)墻加多道水平支撐體系組成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，甚至還有基坑內(nèi)、外的土體加固。目前基坑基于平面問題的穩(wěn)定破壞模式顯然已經(jīng)無法反映深基坑連續(xù)破壞的特點(diǎn)與機(jī)理。有必要對深基坑連續(xù)破壞這種重大地下工程災(zāi)害的產(chǎn)生與演變機(jī)理進(jìn)行深入研究。

二、基坑工程與地下工程施工安全及環(huán)境影響控制策略

（一）基坑沿長度方向上的連續(xù)破壞。

大長度基坑發(fā)生了一些沿長度方向上由局部破壞引發(fā)數(shù)十米至一百米以上的連續(xù)破壞事故，然而基坑由局部破壞發(fā)展為大規(guī)模連續(xù)破壞的機(jī)理卻少有研究。國內(nèi)學(xué)者設(shè)計(jì)了懸臂排樁支護(hù)基坑局部支護(hù)樁破壞倒塌的模型試驗(yàn)，對局部破壞引發(fā)的土壓力和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化等規(guī)律等進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，基坑局部垮塌會引起鄰近樁的樁身內(nèi)力瞬間增大，隨后坑外土體滑塌進(jìn)基坑內(nèi)，造成鄰近支護(hù)結(jié)構(gòu)主動區(qū)卸載，但此卸荷過程相對滯后。據(jù)此，研究人員等提出了荷載傳遞系數(shù)的概念，即局部破壞引起相鄰不同位置的其他樁內(nèi)力的提高倍數(shù)，其與鄰近樁承載力安全系數(shù)的相對大小決定著連續(xù)破壞是否能夠發(fā)生與發(fā)展。

（二）漏水漏砂災(zāi)害的控制方法。

根據(jù)已有事故的工程經(jīng)驗(yàn)，許多學(xué)者提出了災(zāi)害治理的應(yīng)對措施，然而針對具體工程尚應(yīng)制定具體的災(zāi)害預(yù)案與治理措施。從漏水漏砂災(zāi)害發(fā)展機(jī)理的角度出發(fā)，主要有以下幾點(diǎn)措施：第一，控制孔洞或縫隙的發(fā)展。對于地鐵隧道來說，應(yīng)控制管片接縫的張開量；對地下連續(xù)墻來說，應(yīng)控制孔洞的持續(xù)發(fā)展。第二，對土體流失的松動區(qū)進(jìn)行注漿加固，并選用快凝漿液。采取慢凝漿液不僅起不到堵漏的作用，甚至?xí)夯癁?zāi)害的發(fā)展。第三，坑外快速降水是控制災(zāi)害發(fā)展的一個(gè)方向，此措施的關(guān)鍵在于降水速度。第四，在上述措施失效后，向地下結(jié)構(gòu)中灌水是控制災(zāi)害發(fā)展的最后的選擇。

從工程管理角度出發(fā)，主要措施如下：第一，富水砂層中施工具有較高風(fēng)險(xiǎn)，在這類地層中施工要重視其風(fēng)險(xiǎn)控制。第二，保證地連墻或止水帷幕的施工質(zhì)量。攪拌樁傾斜會降低止水帷幕的止水效果，易引發(fā)災(zāi)害。膨潤土夾層、空氣夾層將發(fā)展為地連墻的孔洞，施工時(shí)應(yīng)避免。第三，隧道施工過程中盾構(gòu)機(jī)的密封性要反復(fù)確認(rèn)檢查，尤其盾尾密封處。第四，施工過程中進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測與信息反饋。第五，一旦發(fā)現(xiàn)漏水點(diǎn)，即使流量很小，應(yīng)立即采取合理措施進(jìn)行治理。第六，盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)和到達(dá)具有較高風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)保證坑外土體加固的質(zhì)量。

（三）基坑水平支撐體系的連續(xù)破壞及冗余度。

傳統(tǒng)的基坑水平支撐設(shè)計(jì)理論是基于構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，難以保證整個(gè)支撐體系具有足夠的冗余度，從而無法避免水平支撐結(jié)構(gòu)在局部破壞情況下發(fā)生連續(xù)破壞。本文在對資料進(jìn)行研究的過程中就發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)學(xué)者以環(huán)梁形式的水平支撐體系為例，設(shè)計(jì)出不同的環(huán)梁支撐平面布置方案，利用離散元軟件PFC，通過FISH語言二次開發(fā)定義了鋼筋混凝土桿件的破壞準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了局部構(gòu)件破壞時(shí)水平支撐結(jié)構(gòu)體系的連續(xù)破壞模擬，確定了水平支撐體系的整體破壞荷載。在此基礎(chǔ)上，提出了一種考慮水平支撐設(shè)計(jì)荷載的冗余度評價(jià)指標(biāo)，即綜合冗余度因子。

結(jié)語：

國內(nèi)基坑工程和地下工程的穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論目前仍停留在基于平面問題的假定。大量的基坑工程和隧道工程的事故表明，基坑工程和隧道工程可因局部破壞發(fā)展為漸近破壞甚至連續(xù)破壞，導(dǎo)致產(chǎn)生大范圍的破壞。因此，需發(fā)展基坑工程與隧道工程的防止連續(xù)破壞的設(shè)計(jì)理論與方法。目前基坑工程、地下工程施工引發(fā)的環(huán)境變形及引起的社會矛盾、工程事故仍然較多，復(fù)雜環(huán)境條件下的隧道工程的設(shè)計(jì)、施工還需開展進(jìn)一步的研究。

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